Die Erforschung "intelligenter Materialien", die ihre Eigenschaften unter dem Einfluss äußerer Parameter wie mechanischer Belastung, Temperatur oder Feuchtigkeit kontrolliert ändern, spielt für die Technologie der Zukunft eine wichtige Rolle. Friedrich Barth vom Department für Neurobiologie und Vladimir Tsukruk vom Georgia Institute of Technology haben Materialsysteme an hoch empfindlichen Sinnesorganen von Spinnen untersucht und ihre grundlegende Bedeutung für deren Funktionsweise geklärt. Die Ergebnisse wurden in einem Übersichtsartikel in "Nature" publiziert. |
Materialien mit hoch spezialisierten Eigenschaften und Anpassungsfähigkeit an bestimmte Bedürfnisse sind zurzeit in der Technologie besonders gefragt. In der Natur findet man solche Stoffe bei Pflanzen und Tieren in großer Zahl. Sie zeichnen auch Sinnesorgane aus. Dies erklärt Friedrich Barth vom Department für Neurobiologie so: "Die Aufgabe von Sinnesorganen ist es, jeweils nur bestimmte Reize aufzunehmen und alle anderen sowie das ständig präsente Hintergrundrauschen von der sensorischen Verarbeitung fern zu halten. Sinnesorgane sind demnach höchst selektiv für die biologisch wichtigen Reize." Dabei spielen die sogenannten reizleitenden Strukturen und die Materialien, aus denen sie bestehen, eine besonders wichtige Rolle.
Die Strömungssensoren einer Jagdspinne
Eines der spannendsten Forschungsobjekte von Friedrich Barth und seinen Kollegen sind die fast 1.000 haarförmigen Luftströmungssensoren auf den Beinen der mittelamerikanischen Jagdspinne Cupiennius salei. Diese Sensoren gehören zu den empfindlichsten aller bekannten Sinnesorgane. Sie werden durch geringste Luftströmungen ausgelenkt, insbesondere wenn diese stark fluktuieren und Bewegungsfrequenzen enthalten, wie sie typischerweise von fliegender Beute erzeugt werden. "Cupiennius", so Barth, "kann mit Hilfe ihrer Strömungssensoren sogar ein fliegendes Insekt lokalisieren und durch einen gezielten Beutefangsprung aus der Luft holen".
Umfassendes mathematisch-physikalisches Modell
Die physikalischen Eigenschaften der Mikrostrukturen und Biomaterialien der Strömungssensoren sind bis ins feinste Detail an die biologisch relevanten Reizmuster angepasst. "Dank zahlreicher Experimente am lebenden Sensor und der Kooperation mit dem amerikanischen Strömungsmechaniker Joseph Humphrey von der University of Virginia konnte ein umfassendes mathematisch-physikalisches Modell der Strömungssensoren erarbeitet werden, welches die Aufhängung und die Auslenkung des Haarschafts durch Luftströmungen minutiös und quantitativ darstellt", freut sich Barth.
Wandelbare Biomaterialien: Von butterweich bis beinhart
Die sogenannte Cuticula, das Skelettmaterial der Spinnen, bildet auch verschiedene Komponenten der Strömungssensoren. Dies ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, der sich durch ein extrem weites Spektrum von physikalischen Eigenschaften auszeichnet: von "butterweich" und stark dehnbar bis "beinhart". Barth und Mitarbeiter und seine Partner am Georgia Institute of Technology fanden kürzlich eine besonders erstaunliche Eigenschaft dieses Biopolymers. Die Jagdspinne Cupiennius besitzt auch Sensoren, mit denen sie kleinste Schwingungen der Unterlage wahrnimmt, wie sie etwa von einem Beutetier oder aber auch bei der Balz vom Geschlechtspartner erzeugt werden. Wiederum sind es die Frequenzen der biologisch relevanten Vibrationen, auf die das Organ besonders gut anspricht. Das Frequenzfilter beruht auf den visko-elastischen Eigenschaften eines kleinen cuticularen Polsters, das der Reiz durchläuft, bevor er auf das eigentliche Sinnesorgan trifft. Erstaunlicherweise ändern sich die mechanischen Eigenschaften mit der Temperatur ganz im Sinne eines "intelligenten" Materials.
Auch die Zellulose der Pflanzen ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff. Seine Eigenschaften werden u.a. für Bewegungsvorgänge eingesetzt - das langsame Öffnen eines Tannenzapfens bei zunehmender Trockenheit oder das kompliziertere schnelle Schließen der Blätter der Venusfliegenfalle, wie Peter Fratzl vom MPI in Potsdam in dem zusammen mit Barth verfassten Übersichtsartikel über Biomaterialien berichtet.
Biomimetik
Dem Neurobiologen zufolge ist es verständlich, dass an solcher Grundlagenforschung auch die mögliche Anwendung interessiert. So etwa die Entwicklung von Sensoren, mit denen sich wie bei der Spinne Medienströmungen großflächig in unmittelbarer Nähe von Oberflächen messen lassen. Friedrich Barth und sein Team waren jahrelang auch an einem Projekt beteiligt, bei dem es um die Entwicklung eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs und seine "sensorische" Steuerung ging. Biomimetik nennt sich die zunehmend aktuelle Forschungsrichtung, bei der es darum geht, die "Tricks der Natur" in innovative Technologien umzusetzen.
Friedrich Barth blickt auf über 40 Jahre Erfahrung mit sensorischen Systemen zurück. Er sagt, es sei nicht schwer, biologisch einzigartige Stoffe mit hoch spezialisierten Eigenschaften zu finden. "Aber um ihre Anwendbarkeit zu erschließen und ihre Besonderheit zu erkennen, benötigt man ein detailliertes Verständnis ihrer biologischen Bedeutung und der Rolle, die sie im normalen Verhalten des Organismus spielen", betont der Forscher, "denn es geht ja nicht um die Lieferung von Blaupausen an die Techniker, sondern um das Übertragen gut verstandener Prinzipien." (il)
Das Paper "Biomaterial systems for mechanosensing and actuation" von Peter Fratzl und Friedrich G. Barth erschien im November 2009 im Journal "Nature".
Emer. O. Univ.-Prof. Dr. Friedrich Barth lehrt und forscht am Department für Neurobiologie. |
